OTKA 43585 tematikus pályázat beszámolója Neutronban gazdag egzotikus könnyű atommagok reakcióinak vizsgálata
1. A kutatási célok A pályázatban tervezett kutatási célok a neutronban gazdag könnyű atommagok reakcióinak vizsgálatát tűzték ki célul. A reakciók vizsgálatának fizikai céljai két irányt mutattak. Egyik típusú reakció a Coulomb-szétesés. Ez rövid felezési idejű atommagok neutronbefogási hatáskeresztmetszetének meghatározására alkalmas. A nukleáris asztrofizika területén van ilyen mennyiségeknek fontossága. A másik reakció a rugalmatlan szóródás, ami az eddig még nem vizsgált, radioaktív nyalábban előállított atommagok gerjesztésére alkalmas. A gerjesztéskor keletkező gamma-fotonok detektálása alapján a magszerkezetre lehet következtetni. Ez érdekes újdonságokat szolgálhat a stabilitástól távoli, neutronban gazdag atommagok tanulmányozása során. 1.1 A Coulomb-szétesés A Coulomb-disszociáció során nagy rendszámú atommagok terében nagy sebességgel elhaladó atommagok egy virtuális fotont vesznek fel az elektromágneses térből, melynek energiája nagyobb a neutron szeparációs energiánál. Ebben az esetben egy neutront lehet „lehasítani” az atommagról. A „Coulomb” elnevezés a reakció elektromágneses természetére utal. A kísérletekben ezt mindig kiegészíti a magerők okozta neutron-leválás, ami a nukleárisszétesés. A két mechanizmus ütközési paramétertől függően keveredik a kísérletben. A tisztán elektromágneses neutron-leválasztás reakció inverze a neutron befogásnak. Egy magreakció valószínűsége és inverzének valószínűsége a részletes egyensúly elvén keresztül kapcsolatban van egymással, hiszen azonos magmátrix-elemhez tartoznak. Az időtükrözési szimmetria adja a két reakció közötti kapcsolatot. A rövid felezési idejű atommagok neutron befogása hagyományos neutronbefogással nem határozható meg, hiszen a befogó atommagból nem tudunk céltárgyat készítni. Ezen magok neutronbefogására alkalmas egyik módszer a Coulomb-disszociáció. A nukleáris asztrofizika területén sok ilyen reakció akad. Az ősrobbanás nukleoszintézisen kívül az r-folyamatban is fontosak a neutronbefogási hatáskeresztmetszetek. Kísérleteink során a 7Li és a 8Li neutronbefogását mértük meg az inverz reakció segítségével. Ezekek az ősrobbanás nukeoszintézisben az A=8 gát átlépésében lehet fontos szerepe. 1.2. Rugalmatlan szórás A stabilitástól távoli atommagok gyorsítók melletti előállítása az utóbbi évtized technikai eredménye. Számos szupravezető ciklotronban használják a kb. 50-100 MeV/nukleon energiára felgyorsított részecskék fragmentációját új, kísérletben eddig még nem vizsgált atommagok előállítására. Az egyes gyorsítók versenyeznek a minél nagyobb neutronszámú atommagok, minél nagyobb nyalábintenzitásban történő előállítására. Ezzel stabilitási vonaltól távoli, a neutron-leesési vonalhoz közeli izotópok szerkezete vizsgálható. Ezen magok szerkezete számos eltérést mutat a stabilitási zónában megszokottól. A 11Li atommagnál fedezték fel először a nukleáris magsugár kirívóan nagy értékét. Más atommagok esetén neutronok pályák sorrendjének felcserélődése tapasztalható sok-neutronos atommagban. A megszokott mágikus számok is másképpen alakulhatnak. Az atommagokat inverz kinematikájú reakciókban vizsgáltuk. A felgyorsítva keletkezett egzotikus atommag
álló proton céltárgynak ütközött, miközben a felgerjesztődött. A proton céltárgy alacsony hőmérsékletre hűtött folyékony H2 volt, ami szintén egy technikai újdonság. Kísérleteinkben a 17C, 19C, 17B atommagok gerjesztett állapotait vizsgáltuk, protonon történő inelasztikus szórásban, és a gerjesztett állapotok energiáját határoztuk meg, valamint a gerjesztés erősségét, azaz annak hatáskeresztmetszetét. Héjmodell számítások alapján becsült spin-paritás tulajdonságok figyelembevételével a magok deformáltságára, és a magszerkezetre lehetett következtetni. 1.3. Töltéskicserélő magreakciók vizsgálata neutronban gazdag atommagokon Az izobár-analóg állapotokra vezető megreakciókban mért szögeloszlások a (p,n) reakcióban részt vevő nukleon hullámfüggvényével van kapcsolatban. Ilyen kísérlettel lehet pl. a 6He atommag valencia-neutronjainak elhelyezkedését vizsgálni. Egyik célunk ez volt, és azt a (p,n) reakcióban keletkezett neutronok szögeloszlásának mérésével kívántuk megvalósítani. 2. A kutatás során megvalósított kísérletek 2.1. Korábbi kísérlet a michigani NSCL gyorsítónál Ez a pályázat egy korábbi OTKA pályázat folytatása, melynek keretében elvégzett mérések közül egy kiértékelésének befejezése a 2003-2006 évek elejére esett, és ezt nem érintette a korábbi pályázat beszámolója. Az első eredményeket tehát korábban elvégzett kísérletből kaptuk. Ez a kísérlet a 8Li(n,) neutronbefogás mérése volt, ami 40 MeV/nukleon bombázó energiájú 9Li nyaláb Coulomb-disszociációjának mérését jelentette. A kísérletet a michigani NSCL nemzeti laboratóriumban végeztük el együttműködésben amerikai, japán kollégákkal. A mérésnél több tagból álló magyar csoport vett részt, akik ebben a laboratóriumban már sikeres méréseket végeztek el Kiss Ádám vezetésével. Ezt a kísérletet a részben a magyar csoport által fejlesztett neutron fal detektorral végeztük. A 8Liok a gyorsítóból érkező 13C atommagok fragmentációjakor keletkeztek, és egy fragment szeparátoron keresztülhaladva lettek kiválogatva a keletkező atommagok közül. A nyaláb ólom és szén céltárgyakra esett, és a szétesésben keletkezett fragmentumot egy dipólmágnessel eltérítve egy 16 plasztik szcintillátorból álló megállító-detektor detektálta. Az egyenesen továbbhaladó neutronokat az NSCL Neutron Wall detektor detektálta, repülési idejét és trajektóriáját megadva. A mérésben keletkező neutron széteséseket úgy kerestük, hogy az szcintillátor rudakban detektált 9Li energiájából számolt pozícióban kerestük a 8Liokat neutronokkal koincidenciában. 2.2. 8Li Coulomb disszociációjának vizsgálata az NSCL-nél 2005-ben végeztük el a 7Li(n,) neutron-szétesési kísérletet, melynek megpályázása is a kutatási időszakra esett. A nyalábidő pályázat megírásában a jelen pályázatban részt vevők nagy súllyal vettek részt, és a mérés elvégzésénél személyesen jelen voltak. Itt a magyar csoport több tagból állt. Sikerült doktoranduszokat is bevonni a kutatásba, és a tanszék fiatal nagyenergiás fizikával foglalkozó kollégáinak szakértelmét is bevontuk. A kísérlet 40 és 70 MeV/nukleonra gyorsított 8Li atommagok szétesését vizsgálta az új fejlesztésű MoNA (Modular Neutron Array) detektorral. Szén és ólom céltárgyakat alkalmaztunk, hogy a tiszta elektromágneses széteséseket el tudjuk választani a nukleáris széteséstől. Minden esemény teljes kinematikai rekonstrukciója megtörtént. A bejövő 8Li atommagok trajektóriáját két CRDC detektorral határoztuk meg. A céltárgy előtti kvadrupol mágnesek a nyalábot egy pontra fókuszálták. A kifutó neutront a nagy hatásfokú MoNA detektálta, repülési idejét
FWHM=1,15 ns pontossággal határozta meg. A fragmentumokat egy nagy mágneses terű sweeper mágnes az ún. Focal Plane detektorba irányította, ahol a trajektóriát ismét két CRDC detektor adataiból számoltuk ki. A reakcióban keletkező részecskék impulzusát a mágneses téren történő követéssel határoztuk meg, ismerve a bemenő és kimenő helyzetüket. Két szcintillációs detektorral sikeresen megvalósítottuk a részecske-azonosítást, ami alapján a 7Liokat elkülönítettük a 8Li-októl. Az ütközésben történő ütközési paramétert a tisztán elektromos esetben a Rutherford-trajektóriák alapján kiszámoltuk. Ez fontos része a kiértékelésnek, mert a reakciót különböző ütközési számoknál vizsgáltuk. A teljes kinematika mérésével meg tudtuk határozni a tömegközépponti rendszerben a bomlási energiát, és ennek függvényében a gerjesztési spektrumot. 2.3. A RIKEN kutatóintézetben végzett mérés A kutatási időszakban a debreceni ATOMKI munkatársaival is sikerül együttműködést kialakítani, melynek eredményképpen Rituparna Kanungo és Elekes Zoltán által elnyert mérési tervben a jelen kutatás vezetője társkutatóként szerepelt. A kísérletet a tokiói RIKEN kutatóintézet Ring ciklotronja mellett felépült RIPS radioaktív nyalábok előállítására alkalmas berendezéssel végeztük. Körülbelül 44 ill. 50 MeV/nukleon energiára gyorsított 17C, 17B ill. 19 C atommagok nyalábját használtuk. Ezek folyékony hidrogén céltárgyon gerjesztődtek, és a DALI nevű NaI szcintillációs detektorokból álló nagy hatásfokú rendszer detektálta a gammafotonokat. A nyalábot szilícium detektorokból álló teleszkóp állította meg, amelyben a nyaláb-részecske azonosítható volt. Így a keverék nyalábbal elvégzett kísérletben minden egyes eseményhez meg tudtuk mondani a nyalábrészecske A, Z értékeit. Ezután 4 HPGe detektor vizsgálta a nyaláb leállása után keletkezett fotonokat. Ennek célja az volt, hogy a 19C izomer állapotát kerestük a kísérlet egyik irányú kiértékelése során. Az izomer állapot relatívan hosszú élettartama miatt a HPGe detektor jeleit 1 s hosszú időkapuban várta az elektronikai rendszer. A DALI rendszer által detektált fotonokat Doppler-korrekció után, és a részecskeazonosítás alapján szelektálva rendeztük spektrumokba. 2.4. A 6He izobár analóg állapotának vizsgálata Ilyen irányú kísérletet végeztük a 6He atommagon a japán Chiba városban elhelyezkedő HIMAC szinkrotronnál 180 MeV/nukleon bombázó energián. A michigani neutron-fal detektorral analóg, de annál kisebb neutrondetektort erre a mérésre fejlesztették ki, és a már 93 MeV/nukleon energián egy spektrográf segítségével megmért reakciót nagyobb bombázó energián tudtuk végrehajtani, de a neutronok detektálása úttörő próbálkozás volt. A szinkrotronból érkező 6He atommagok egy plasztik céltárgyra estek, ennek protonjaival történő reakciókat vizsgáltuk. Ezután egy vékony helyérzékeny szilicium-detektor érzékelte az átmenő részecskéket, és válogatta ki a keletkező lítium magokat. A neutrondetektorok 90 körül lettek elhelyezve a reakció kinematikája miatt. 3. A kutatás személyi vonatkozásai A michigani mérésben szerepeltek a jelen pályázat résztvevő kutatói, és mindkét mérésben a magyar csoport létszáma jelentős volt. A 2005-ös mérésben a 25 főből 8 magyar volt, melyben 2 doktorandusz és egy ATOMKI-s kolléga is hlyet kapott. A kísérletek „spokesmenjei” mindig magyarok voltak. A tokiói RIKEN-ben elvégzett mérést az ATOMKIs kollégákkal történt együttműködés tette lehetővé.
A kutatási időszakban sikerült több diákot is bevonni a közepes energiájú magfizikai kutatásokba. 2004-ben Izsák Rudolf ELTE fizikushallgató írta meg szakdolgozatát a 6He(p,n) reakció kiértékeléséből, majd ezután felvételt nyert az ELTE Fizika Doktori Iskola finanszírozott hallgatói közé, és a doktori dolgozatában a 8Li szétesését célzó kísérlet kiértékelését írta le. A RIKEN-ben végzett kísérlet adathalmazának egyik részét feldolgozva Endrődi Gergely diákkörös hallgatóként ismerkedett meg a magfizikával. Ő a megállított 19C atommagok bomlása során keletkező gamma-fotonokat kereste meg, melyek az említett HPGe detektorban detektálódtak. Munkájából országos diákköri konferencián kiemelt dicséretet kapott. Ő később a hadronanyag fázisátalakulását vizsgáló kutatásokba kapcsolódott be, és felvételt nyert az ELTE Fizika Doktori Iskolába. Annak ellenére, hogy ez a két kutatási eredmény nem lett nemzetközi folyóiratban publikálva, ezen eredmények révén kutatásaink új fiatal szakemberek képzéséhez is hozzájárultak. A kutatási időszak alatt az ELTE-s kollégák és az ATOMKI ezen területen dolgozó kollégái között erősödött az együttműködés. A japán mérésekkel erősödött a japán kollégákkal történő együttműködés, ami egy későbbi TÉT pályázatot eredményezett. 4. A megvalósított kutatások eredményeinek összefoglalása 4.1. A 7Li, 8Li neutronbefogása A 8Li(n,)9Li reakció hatáskeresztmetszetére egy felső korlátot adtunk, ami 10-szer alacsonyabb, mint a korábbi kísérleti felső korlát: ( n,)<930beV1/2/E1/2. Ebből adódik, hogy a direkt reakció reakciósebességére R=NA<v> is felső korlátot kaptunk, ami a neutronbefogás 1/v jellege miatt energiafüggetlen: 790 cm3/mol/s. Ez kisebb, mint a publikációnkban említett 4 elméleti számolás eredményei közül mind. A nukleáris asztrofizikai következménye az, hogy az egymással versenyző 8Li(n,)9Li, 8Li()8Be és 8 Li(,n)11Be reakciók közül csillagokban a neutronsűrűségtől függően a neutronbefogás nem tudja áthidalni az A=8-as gátat, és a béta-bomlással alfa részecskék keletkeznek. Az inhomogén Big Bang nukleoszintézis modellekben a 8Li(n,)9Li reakción keresztül keletkeznek a 12C atommagok. Ez a kis hatáskeresztmetszet ellenére a valószínűbb folyamat, és nem a nagy Coulomb-gáttal rendelkező 8Li(,n)11Be. Ezért eredményünk ebben a modellben a keletkező 12C-k számát csökkenti le az eddig számolt értékekhez képest. A 7Li(n,)8Li neutronbefogás szintén az neutronban gazdag környezetben végbemenő nukleoszintéziseknél fontos. Ilyen az említetteken kívül a szupernóva robbanásban zajló nukleoszintézis is. Ez a reakció azonban más oldalról is érdekes. Az inverz reakciók alapján meghatározott neutronbefogások módszerét ellenőrizni lehet ezzel, mert a 7Li neutronbefogása már meg van mérve, lévén, hogy a 7Li stabil elem. A módszerben a nukleáris komponens levonása az egyik legbizonytalanabb pont, ennek a részletes vizsgálatára ad lehetőséget a kísérlet. A kutatási időszak alatt csak az első eredményeket értük el, a teljes kiértékelés később készült el. A kiértékelés során több nehéz technikai problémát kellett legyőzni a detektorok kalibrációjakor. A neutrondetektor időfelbontásának javítása érdekében a 144 szcintillációs rúd 288 fotoelektron-sokszorozójának időbeli eltolását függőlegesen érkező kozmikus müonok segítségével illesztettük össze egymáshoz. Ezzel az időfelbontás és a helyfelbontás is
megjavult. Az egyik legnagyobb kihívás a keletkező 7Li atommagoknak a mágneses téren történő követése volt. Ennek során nagy pontossággal lehetett megállapítani a fragmentum sebességét. A pozíciókat meghatározó CRDC detektorok finom geometriai paramétereinek kimérése is az elvégzett feladatok közé tartozott. Az első eredmények során a 40 MeV/nukleon bombázó energiához tartozó szögeloszlások eredményeit értékeltük ki. A kísérlet eredménye az ólom és szén céltárgyon mért szögeloszlás hányadosát mutatja be. Ez nagy szögeknél konstans 6,5 körüli arány, ami a két tömegszám 2/3-dik hatványainak aránya. Ez mutatja, hogy nagy szögeknél (kis ütközési paraméternél) a nukleáris komponens dominál, és ez a tömegszám 2/3 hatványával skálázódik, nem a korábban gyakran használt A1/3 módon. Kis szögeknél, ahol a bombázó részecske messze megy el a céltárgy mellett, a tisztán elektromágneses szétesés dominál, a szögeloszlások aránya Z2-ek arányával egyezik meg.
1.ábra A mért szögeloszlások aránya az ólom és a szén céltárgyat használó mérések eseteire. Az eredményként kapott arány-eloszlás azt is mutatja, hogy 2 szóródási szög felett a nukleáris tag dominál. A nukleáris tag csökkenthető, ha a szóródási szögre feltételeket szabunk ki, ezen eredmény alapján. Az analízis a kutatási időszak vége után fejeződhet csak be. 4.2. A 17C, 17B és 19C magszerkezetének vizsgálata A RIKEN gyorsítónál a debreceni ATOMKI munkatársaival közösen elvégzett kísérlet során, Elekes Zoltán és Dombrádi Zsolt vezetésével kiértékelt mérésekben a 19C, 17B, 17C neutronban gazdag atommagok gerjesztési energiáinak vizsgálata, a 19C izomer állapotának keresése mellett az ezen magok bomlása után keletkező béta+neutron bomlások során kibocsátott gamma-sugárzás intenzitásviszonyainak tisztázásában vettünk részt. A 17C nyalábrészecskéket kiválogatva a Doppler-korrigált gamma-spektrumokban meghatároztunk két gamma-csúcsot. Ezekhez tartozó gerjesztett állapotok gerjesztési energiáit a következőkben határoztukmeg: 210 keV és 331 keV. A 19C nyalábrészecskék esetén is két csúcsot tapasztaltunk, 72 keV és 197 keV energiáknál. A 331 keV-es csúcsot nemcsak a 17C gerjesztésénél tapasztaltuk, hanem amikor a 19C nyalábban a céltárgy a részecskeazonosítás szerint 2 neutront kilök, és 17C keletkezik, akkor is. Ez megbízhatóbbá teszi a gerjeszett állapotenergiájának meghatározását. Az egyszerű (p,p’) reakciókban tapasztalt csúcsok területéből meghatároztuk a gerjesztés hatáskeresztmetszetét is. A 331 keV-es csúcs gerjesztésének hatáskeresztmetszete a geometriai akceptancia figyelembe vételével kb. 14 mb-nak adódott. Ezt az értéket reprodukálni lehet torzított hullámú Bornközelítéssel, ha az atommag spinjét és deformációs paraméterét ismerjük. A héjmodellekből egybehangzóan becsült spin értékeket figyelembe véve a deformációs paraméter értékére a 19 C atommag esetére 2~0,3, és a 17C mag esetére 2~0,57. Ezek alapján megállapítottuk,
hogy a 17C deformált mag, tengelyeinek aránya megközelítőleg 2:1, hasonlóan a deformációjához, amit már korábbi mérésekben felismertek.
16
C és
17
B
A 19C izomer állapotának keresése során először becslést adtunk arra, hogy egy adott felezési időhöz tartozó, adott energiájú izomer állapotot milyen valószínűséggel kellene detektálni a detektorrendszerünkben. 80 kev és 380 keV közötti tartományban, 0,1 és 100 s tartományban 3-10% detektálási hatásfok adódott. Ennek megfelelően az adott tartományban kialakuló csúcsot nem tapasztaltunk. A vizsgált energiatartomány 330 keV körüli tartományára kapuzva a beütések időfüggését is vizsgáltuk, és exponenciális csökkenést nem tapasztaltunk. Az adatok alapján felső becslést adtunk az izomer állapot létezésére a nyalábban, amit elhanyagolható mennyiségűnek értékeltünk. 4.3 A 6He neutronjainak vizsgálata 6
He izobár analóg állapotára vezető (p,n) reakció vizsgálatát célzó kísérlet adatait kiértékeltük, melyet a Tokyo melletti HIMAC gyorsítónál végeztünk. A kísérlet kimutatta, hogy 180 MeV/nukleon bombázó energiánál is gerjesztődik az izobár-analóg állapot, és az elméleti várakozásoknak megfelelően kisebb hatáskeresztmetszettel, mint 93 MeV/nukleon bombázó energiánál, melyen a más technikájú, de ugyanezen fizikát célzó kísérleteket eddig végezték. A neutronok szögeloszlását nem sikerül megfelelő hibával megmérni, az adatok statisztikája csak a neutronok inkluzív vizsgálatára volt elegendő.
Összefoglalás A kutatási időszakban sikerült több mérést elvégezni radioaktív nyalábok használatával a michigani NSCL, a tokiói RIKEN és a chibai HIMAC gyorsítók mellett. A kutatások során diákokat vontunk be a magfizikai kutatásokba és együttműködések erősödtek. Meghatároztuk a 8Li(n,) neutronbefogási hatáskeresztmetszet energiafüggő felső korlátját, a neutronbefogás reakciósebességének felső korlátját. Meghatároztuk a 7Li(n,) inverz reakciójának, a neutron leválásnak, ólom és szén céltárgyon a hatáskeresztmetszeteinek arányát a szög függvényében. Ebből arra következtettünk, hogy a nukleáris járulék a tömegszám 2/3-dik, az elektromágneses járulék a rendszám közel 2-dik hatványával arányos. Meghatároztuk a kísérletben azt a szögtartományt (ütközési paraméter tartomány), ahol a nukleáris járulék a domináns. Meghatároztuk a 17,19C atommagok első két gerjesztett állapotának energiáját, és a magok deformáltságát. A 19C kicsi deformációs paramétere alapján arra következtettünk, hogy az utolsó neutron különálló pályán mozog a központi rész (18C) átlagterében. Megállapítottuk, hogy a 19C izomer állapotának létezésének valószínűsége elhanyagolható 300 keV-nél alacsonyabb energiatartományban.
